某型滑油冷卻風(fēng)扇振動(dòng)特性分析

蔡思奇，賀玉龍

（西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756）

風(fēng)扇轉(zhuǎn)子為滑油冷卻系統(tǒng)內(nèi)的高速旋轉(zhuǎn)部件，因此對(duì)于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，在氣動(dòng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)需要的同時(shí)，還應(yīng)確保其強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性達(dá)到安全工作的要求[1]。當(dāng)轉(zhuǎn)子自身的工作轉(zhuǎn)速或者相關(guān)的激振頻率與轉(zhuǎn)子的固有頻率相接近，就會(huì)引起共振從而造成因振動(dòng)引起的轉(zhuǎn)靜子碰摩或葉片疲勞斷裂等故障[2–3]，因此在轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)特性分析避免引起共振是確保設(shè)備安全服役的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)于試驗(yàn)件的振動(dòng)特性分析較為廣泛的方法為模態(tài)分析。模態(tài)分析過程可以分為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析與數(shù)值模態(tài)分析[4]。例如對(duì)于鋁制薄盤利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析，得到其各階振型[5]。通過數(shù)值計(jì)算的方法計(jì)算材料發(fā)生位錯(cuò)狀況的各階固有頻率及頻率比等振動(dòng)特性[6]。而基于模態(tài)動(dòng)力學(xué)的數(shù)值方法同樣被運(yùn)用在對(duì)離心風(fēng)機(jī)的振動(dòng)特性研究中[7]。

在進(jìn)行模態(tài)分析的過程中，研究者往往采取單一的試驗(yàn)或數(shù)值模態(tài)分析方式，它們各自有其優(yōu)缺點(diǎn)及局限性，而兩者結(jié)合的方式能夠保障計(jì)算結(jié)果的可靠性。像旋轉(zhuǎn)葉片那樣存在預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，采用兩者結(jié)合的方式更加可靠[8]。因此對(duì)于該風(fēng)扇轉(zhuǎn)子采用試驗(yàn)和數(shù)值模態(tài)分析結(jié)合的方式，考察風(fēng)扇的振動(dòng)特性，并與舊型號(hào)轉(zhuǎn)子比較。為轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及使用的安全性提供相關(guān)建議。

1 錘擊試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

試驗(yàn)件實(shí)際安裝狀態(tài)為圖1所示。

其實(shí)際安裝于直升機(jī)主減速器輸出軸上，由軸帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子工作，前后分別是與之配套的導(dǎo)向器與整流罩。試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際安裝狀況通過夾具固定實(shí)現(xiàn)模擬安裝狀態(tài)。

圖1 試驗(yàn)件安裝圖

模態(tài)試驗(yàn)的基本環(huán)節(jié)包括激勵(lì)、測(cè)量和分析[9]。試驗(yàn)采用錘擊法激振進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)，通過壓電式加速度傳感器采集響應(yīng)信號(hào)，并通過低通濾波放大器及信號(hào)采集器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，最后通過分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，最終得出風(fēng)扇轉(zhuǎn)子整體葉盤和單個(gè)葉片在安裝及自由狀態(tài)的各階模態(tài)。試驗(yàn)系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

試驗(yàn)得到安裝及自由狀態(tài)轉(zhuǎn)子的模態(tài)振型，由于兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)子模態(tài)振型相似，故僅列出安裝狀態(tài)振型如圖3。

圖3 安裝狀態(tài)各階振型

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于輪盤部分，葉片的振動(dòng)幅度更大，而葉片的振動(dòng)以其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為主。

新型風(fēng)扇轉(zhuǎn)子及單個(gè)葉片的前4階固有頻率分別列于表1、表2。

無論是轉(zhuǎn)子整體還是單個(gè)葉片，安裝狀態(tài)的前4階固有頻率及振型與自由狀態(tài)下十分接近，說明轉(zhuǎn)子與減速器輸出軸固定連接對(duì)于其前4階模態(tài)影響不大。葉片與轉(zhuǎn)子整體前幾階的固有頻率相差不大，而4階呈現(xiàn)了較為明顯的差異，輪盤質(zhì)量與剛度相對(duì)葉片來說較大，且轉(zhuǎn)子為整體葉盤結(jié)構(gòu)，葉片與輪盤耦合可能是影響轉(zhuǎn)子整體固有頻率的因素。

表1 安裝及自由狀態(tài)轉(zhuǎn)子固有頻率/Hz

表2 安裝及自由狀態(tài)葉片固有頻率/Hz

2 基于ANSYS的數(shù)值模態(tài)分析

由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在工作過程中始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，只對(duì)其靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行模態(tài)分析無法考慮其自身轉(zhuǎn)速對(duì)其影響，因此用有限元分析軟件ANSYS對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子靜止和工作狀態(tài)進(jìn)行模態(tài)分析。

由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片呈高度扭曲狀態(tài)，直接在ANSYS內(nèi)進(jìn)行模型建立比較困難，因此借助NX軟件建立計(jì)算模型，如圖4、圖5所示。

由于葉片呈19個(gè)均布狀態(tài)，因此根據(jù)波動(dòng)分析原理，在對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行有限元分析時(shí)，可以取一個(gè)葉片-輪盤扇區(qū)計(jì)算[10]，如圖6。

圖4 風(fēng)扇模型

圖5 葉片模型

采用2階單元Solid186用四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分。網(wǎng)格單元數(shù)為59.8萬個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為13.7萬個(gè)。在輪轂內(nèi)環(huán)安裝面上施加周向約束，在螺栓固定端面施加軸向約束。風(fēng)扇整體采用材料鍛鋁2A70，其材料參數(shù)見表4。

從前5階可以得到，葉片的振動(dòng)幅度相對(duì)輪盤較大，前兩階振型為葉片的偏轉(zhuǎn)，第34階主要是葉片的扭轉(zhuǎn)，5階則為偏轉(zhuǎn)與扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動(dòng)。

圖6 單個(gè)葉片-輪盤扇區(qū)

表4 2A70材料參數(shù)

靜止?fàn)顟B(tài)下葉片的固有頻率稱為葉片的靜頻。得出其前5階振動(dòng)的靜頻值并提取其振型，如表5與圖7。

表5 風(fēng)扇各階靜頻

為模擬轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下自身轉(zhuǎn)速對(duì)其各階模態(tài)的影響，在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮轉(zhuǎn)速作為預(yù)應(yīng)力，對(duì)轉(zhuǎn)子施加轉(zhuǎn)速0至8 000 r/min，及兩個(gè)工作轉(zhuǎn)速8 873和9 087轉(zhuǎn)/分，并在計(jì)算時(shí)考慮陀螺效應(yīng)。由于施加轉(zhuǎn)速后得到的模態(tài)振型與靜止?fàn)顟B(tài)相似，故不再列出。計(jì)算得出風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的動(dòng)頻如表6。

圖7 風(fēng)扇各階陣型

可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的動(dòng)頻與靜頻相比要高，并且隨著轉(zhuǎn)速上升呈逐步增加的趨勢(shì)，這符合離心力的剛化效應(yīng)。但總體隨著轉(zhuǎn)速增加固有頻率的變化幅度很小，因此可以判定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力對(duì)于該轉(zhuǎn)子固有頻率的影響不大。由于轉(zhuǎn)子工作時(shí)處于復(fù)雜的氣動(dòng)環(huán)境，除了其自身轉(zhuǎn)速與固有頻率重合會(huì)導(dǎo)致共振，還會(huì)受到外部其他激振力的影響，此處主要包括靜葉流場(chǎng)不均引起的高頻激振力與導(dǎo)向器加強(qiáng)筋所導(dǎo)致的低頻激振力，由于此處低頻激振力與固有頻率線相距較遠(yuǎn)故僅考慮高頻激振力的影響，前端靜葉數(shù)為17，工作轉(zhuǎn)速9 073 r/min對(duì)應(yīng)的激振頻率為2 574 Hz，根據(jù)表6與激振頻率繪制坎貝爾圖，判斷共振轉(zhuǎn)速，如圖8。

從圖8中可以得出，激勵(lì)與各階固有頻率曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速約為5 300 r/min與9 000 r/min左右，所預(yù)留的共振裕度很小。

由于葉盤屬于循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在計(jì)算中考察工作轉(zhuǎn)速下節(jié)徑的存在對(duì)于固有頻率及振型的影響，如表7和圖9。

節(jié)徑所指的是如圓盤類的幾何體在某階振動(dòng)模態(tài)振型中零位移的線。從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著節(jié)徑的增加，工作轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的固有頻率整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。此外出現(xiàn)的2階固有頻率相同，且位移也相近的狀況，其差異主要是循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)2階模態(tài)存在著相位差。

圖8 新型轉(zhuǎn)子坎貝爾圖

由于在安裝時(shí)，轉(zhuǎn)子與機(jī)匣之間的間隙很小，故應(yīng)考察在工作轉(zhuǎn)速下葉片的最大形變量，避免轉(zhuǎn)子與靜子碰摩。根據(jù)圖10，考察單個(gè)葉片-輪盤扇區(qū)在工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的最大形變量及其發(fā)生的位置，可以得到最大的形變量為0.022 1 mm，最大形變發(fā)生在葉尖處。

為對(duì)比新舊型號(hào)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在振動(dòng)特性上的區(qū)別，對(duì)于舊型號(hào)轉(zhuǎn)子同樣進(jìn)行數(shù)值模態(tài)分析，舊轉(zhuǎn)子模型如圖11所示。

表6 風(fēng)扇各階動(dòng)頻/Hz

表7 不同節(jié)徑各階固有頻率/Hz

圖9 工作轉(zhuǎn)速各階振型

圖10 葉片-輪盤形變圖

圖11 風(fēng)扇模型（舊）

同樣根據(jù)數(shù)值模態(tài)分析結(jié)果繪制坎貝爾圖，發(fā)現(xiàn)共振轉(zhuǎn)速約為6 800 r/min，設(shè)計(jì)裕度達(dá)到19.5%，圖12為根據(jù)舊型轉(zhuǎn)子繪制的坎貝爾圖。

根據(jù)圖13，舊型號(hào)轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下，即在轉(zhuǎn)速為9 087 r/min下的最大形變量為0.049 6 mm，其產(chǎn)生的位置同樣位于葉尖處。

通過對(duì)比新舊型號(hào)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性，可以發(fā)現(xiàn)新型號(hào)轉(zhuǎn)子其各階固有頻率相對(duì)舊型號(hào)偏高，這主要由于新型號(hào)在設(shè)計(jì)上鼓桶的直徑增加，葉片的長度減小。此外由于設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮風(fēng)扇的性能要求，導(dǎo)向器靜葉從13個(gè)增加至17個(gè)，因此新型冷卻風(fēng)扇由靜葉尾端不均勻流場(chǎng)導(dǎo)致的高頻激振力對(duì)應(yīng)的共振轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速接近，容易引發(fā)振動(dòng)。而新型號(hào)轉(zhuǎn)子葉尖的最大形變量比舊型號(hào)要小55.4%，但兩者的形變量都很小。

圖12 舊型轉(zhuǎn)子坎貝爾圖

圖13 舊型號(hào)葉片-輪盤形變圖

3 結(jié)語

（1）通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)和數(shù)值模態(tài)分析，分別得到不同狀態(tài)下風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的各階固有頻率，其工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)子的1階固有頻率，在工作狀態(tài)下不會(huì)引發(fā)自身的共振。而數(shù)值模態(tài)分析得到的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果上略有差異。模態(tài)分析得到風(fēng)扇各階振型，相對(duì)于輪盤葉片的扭轉(zhuǎn)及偏轉(zhuǎn)為振動(dòng)的主要表現(xiàn)形式。

（2）根據(jù)數(shù)值模態(tài)分析，轉(zhuǎn)子的動(dòng)頻相對(duì)靜頻要略大，而其變化規(guī)律是隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸增加。新型號(hào)轉(zhuǎn)子在振動(dòng)特性方面較舊型號(hào)的各階固有頻率都要更高，而且葉尖的最大形變量更小。

（3）由風(fēng)扇導(dǎo)向器靜葉尾流所導(dǎo)致的高頻激振力對(duì)于葉片振動(dòng)的影響較大，這一點(diǎn)在改型后的結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)較為明顯，激振力對(duì)應(yīng)的共振轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速相接近。但由于激振力相對(duì)于轉(zhuǎn)子自身工作轉(zhuǎn)速與固有頻率重合所造成的影響相比較小，而此冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)改型以實(shí)現(xiàn)性能提升為首要目標(biāo)，因此對(duì)于激振力的影響主要的應(yīng)對(duì)措施是避免在使用過程中葉片出現(xiàn)裂紋等故障，此時(shí)激振力的存在會(huì)使葉片出現(xiàn)疲勞斷裂等狀況。因此使用過程中應(yīng)定期對(duì)葉片的安全性進(jìn)行檢查，避免事故發(fā)生。

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